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문제 정의
- 이에 본 연구에서는 브레이스 내부에 다수의 탄성스프링을 내재하여 멀티제진이 가능하게 함으로써 구조물의 안전성 및 거주성을 향상시킬 수 있고, 내부 뿐 아니라 외부에도 부착이 가능하여 시공환경에 영향을 받지 않는 TS 댐퍼(Tension SpringDamper)를 적용한 TS 내진보강공법의 내진성능 효과를 검증할 목적으로 구조실험을 진행 하였다. 기준 실험체인 무보강 골조를 포함한 총 4개의 골조 실험체에 대하여 반복 주기하중가력 실험을 수행하였으며, 그 결과를 강도, 강성, 에너지 흡수 능력의 측면에서 평가하여 정리 하였다.
제안 방법
- 모든 실험체의 골조는 동일한 배근을 갖도록 설계하였으며, 기준실험체인 RC 실험체는 골조만으로 이루어진 비보강 실험체이다. RC 실험체의 대조군으로 기본골조에 설치된 TS 댐퍼의 형상에 따라 V-type과 D-type, 시공 방법에 따라 창호 삽입형(Inserted type) 외부 부착형(Attached type)으로 구분하여 3개의 TS 내진보강 실험체를 제작하였다. 4개의 실험체는 Table 1에 나타낸 바와 같이 표기하였으며,Fig.
- 5에 나타내었다. 각 변위마다의 강도와 강성 저하에 대한 정보 취득을 위하여 동일변위 당 3회씩 가력 하였으며, 실험은 내력이 크게 저하되는 구간까지 수행하였다. 실험체의 균열은 가력이 끝나는 단계별로 구분하여 정·부 방향 모두 표시하였다.
- 기둥의 주근과 전단 보강근으로 각각 D19(1종 SD300)과D10(1종 SD300)을 사용하였으며, 철근의 재료적 특성을 파악하기 위하여 KS B 0801(KS F 2403, 2017)에 따라 철근 인장 시험편을 각각 3개씩 제작하여 만능시험기(U.T.M.)을 이용하여 인장시험을 수행하였다. Fig.
- 이에 본 연구에서는 브레이스 내부에 다수의 탄성스프링을 내재하여 멀티제진이 가능하게 함으로써 구조물의 안전성 및 거주성을 향상시킬 수 있고, 내부 뿐 아니라 외부에도 부착이 가능하여 시공환경에 영향을 받지 않는 TS 댐퍼(Tension SpringDamper)를 적용한 TS 내진보강공법의 내진성능 효과를 검증할 목적으로 구조실험을 진행 하였다. 기준 실험체인 무보강 골조를 포함한 총 4개의 골조 실험체에 대하여 반복 주기하중가력 실험을 수행하였으며, 그 결과를 강도, 강성, 에너지 흡수 능력의 측면에서 평가하여 정리 하였다.
- 기준 실험체인 비보강 실험체 1개와 TS 내진보강 실험체 3개의 총 4개의 실험체를 제작하여 반복 횡하중을 이용한 구조실험을 수행하였다. 모든 실험체의 골조는 동일한 배근을 갖도록 설계하였으며, 기준실험체인 RC 실험체는 골조만으로 이루어진 비보강 실험체이다.
- 2~3에 실험체 배근 상세와 TS 댐퍼의 형상 및 설치 상황을 나타내었다. 실험체는 상부와 하부의 스터브, 장방형의 기둥과 보로 구성하였으며, 상·하부 스터브의 강성을 충분히 키워 기둥붕괴형 붕괴메커니즘을 구현하도록 계획하였다.
- 실험체에 역대칭모멘트가 발생하도록 횡력을 가하는 Actuator의가력점을 실험체 상부 가력용 철골빔의 중심에 일치시켰으며, Table 3에 나타낸 바와 같이 수평 부재각(%)에 따라 각 3 cycle씩 단계별로 점증 가력 하였다. 실험체에 적용된 하중 가력 이력선도를 Fig.
- 제진 보강 골조 실험체의 중 창호 외부 부착 방식이 적용된 V-EX를 제외한 창호 내부 삽입형인 V-IN, D-IN 실험체는 TS댐퍼의 프레임으로 인한 강성 증대효과가 커서 목표내력에 도달 후 실험을 종료하였다.
- 6에 나타내었다. 하중이 가력되는 동안 실험체 전체의 변위확인을 위하여 LVDT1개를 설치하였으며, 기둥의 응력 분포 변화 측정을 위하여각 실험체 기둥 주근 5개소와 스트럽 6개소에 스트레인 게이지를 부착하였다.
대상 데이터
- 구조실험의 대상 건물은 층고 3.8 m, 3층의 비내진 상세를 갖는 철근콘크리트조의 학교 건축물로 정하였으며 Fig. 1에 골조 실험체를 제작하기 위한 프로토타입을 나타내었다. 실험체는 대상학교의 외부 내측골조의 1층 부분의 1스팬으로 기둥-보-징두리벽(조적조)으로 이루어져 있으며, 실험실의 규모를 고려하여 약 60% 크기로 축소하여 제작하였다.
- 기준 실험체인 비보강 실험체 1개와 TS 내진보강 실험체 3개의 총 4개의 실험체를 제작하여 반복 횡하중을 이용한 구조실험을 수행하였다. 모든 실험체의 골조는 동일한 배근을 갖도록 설계하였으며, 기준실험체인 RC 실험체는 골조만으로 이루어진 비보강 실험체이다. RC 실험체의 대조군으로 기본골조에 설치된 TS 댐퍼의 형상에 따라 V-type과 D-type, 시공 방법에 따라 창호 삽입형(Inserted type) 외부 부착형(Attached type)으로 구분하여 3개의 TS 내진보강 실험체를 제작하였다.
- 1에 골조 실험체를 제작하기 위한 프로토타입을 나타내었다. 실험체는 대상학교의 외부 내측골조의 1층 부분의 1스팬으로 기둥-보-징두리벽(조적조)으로 이루어져 있으며, 실험실의 규모를 고려하여 약 60% 크기로 축소하여 제작하였다.
- 콘크리트의 압축강도 시험용 원통형 공시체는 KS F 2403(KS F 2403, 2014)에 따라 직경 100 mm, 높이 200 mm의 실린더형 몰드를 사용하여 제작하였으며, 실험체와 동일한 기간타설과 동일조건에서 양생하였다. 구조시험 당일 6개의 공시 체를 통해 측정된 콘크리트 강도와 평균값은 Table 2와 같다.
성능/효과
- 1) 기준 실험체인 RC 실험체는 정가력 시 변위비 1.33%에서 최대하중 243.7 kN에 도달하였으며, 전형적인 전단파괴의 양상을 보여주었다. 이는 비내진 상세를 갖는 학교건물의 파괴모드를 확인할 수 있는 중요한 자료라고 판단된다.
- 2) 창호 내부 삽입형태의 시공방법을 적용한 V-IN 실험체와 D-IN 실험체는 TS 댐퍼의 강도증진 효과로 인하여 파괴 이전에 목표내력에 도달함으로써 실험이 종료되었다. 무보강 골조 실험체인 RC 실험체와 외부 부착형 실험체인 V-EX 실험체 보다 강도, 강성, 균열측면에서 매우 우수한 성능을 나타내었다.
- 3) 외부 부착 방식의 시공방법을 적용한 V-EX 실험체는 정가력시 변위비 1.33%에 도달 하였을 때 최대하중 342.375 kN을나타내었으며, 이후 골조에 발생한 전단균열이 진전되어 변위비 2%에 이르러 최종 파괴되었다. 창호 내부 삽입방식에 비하여 강도, 강성의 측면에서 성능이 다소 낮게 나타났으나, 기준 시험체인 RC 실험체에 비하여 강도, 강성, 균열, 에너지 소산 측면에 있어 우수한 성능을 보여주었다.
- 4) 내진 보수보강의 경우 공법 자체의 유효성과 더불어 다양한 현장의 상황에 따라 유연하게 적용할 수 있도록 다양한 방법으로 시공 시 성능에 대한 안정성이 보장되어야한다. TS댐퍼를 이용한 내진보강 방법은 창호 내부 삽입이 불가능한 경우에도 외부 부착 방식을 채택함으로써 목표로 하는 내진 보강 효과를 얻을 수 있는 우수한 공법으로 판단된다.
- TS댐퍼를 이용하여 제진 보강 된 골조의 경우 모두 변위비 0.1% 구간에서 시작된 휨균열이 변위비 0.4%에 도달하였을 때 전단균열로 진전된 후 실험종료 시 까지 TS댐퍼의 프레임으로 인한 강성 증대효과로 인하여 전단균열의 진전이 억제되는 현상을 보였다.
- 375 kN을 나타내었으며, 이후 골조에 발생한 전단균열이 진전되어 변위비 2%에 이르러 최종 파괴되었다. V-IN 실험체와 V-EX 실험체는 TS 댐퍼의형상은 동일하나 시공 방식에 차이가 있는 경우로 창호 내부삽입 방식의 강도증진효과가 뛰어나게 나타났으나 , 외부에 부착하는 방식도 무보강 실험체에 비하여 제진 및 강도증진의 효과가 뛰어남을 알수 있었다.
- 4배의 내력 증가를 보여주었다. 더불어 무보강 골조 실험체와 TS 댐퍼 보강 골조 실험체의 누적에너지의 양에 2배 가까운 차이가 있음을 알수 있었다. 단, 목표내력에 도달하여 실험을 종료하였던창호 내부 삽입형 실험체(V-IN, D-IN)와 기준 실험체의 누적 에너지양의 비교는 제외하였다.
- 8에 각 실험체의 하중-변위 곡선을 나타내었다. 무보강 골조 실험체인 RC 실험체는 정가력 시 변위비 1.33%에서 최대하중 243.7 kN에 도달하였으며, 전단파괴 양상을 나타내었다. 이는 대상 학교건물이 비내진상세를 갖는 1980년대 건설학교건물의 전형적 파괴모드를 보여주는 매우 중요한 자료라고 판단된다.
- 2) 창호 내부 삽입형태의 시공방법을 적용한 V-IN 실험체와 D-IN 실험체는 TS 댐퍼의 강도증진 효과로 인하여 파괴 이전에 목표내력에 도달함으로써 실험이 종료되었다. 무보강 골조 실험체인 RC 실험체와 외부 부착형 실험체인 V-EX 실험체 보다 강도, 강성, 균열측면에서 매우 우수한 성능을 나타내었다.
- 창호 내부 삽입형인 D-IN 실험체의 경우 시공방식이 유사한 V-IN 실험체와 유사한 경향을 나타내었다. 변위비 1.33%정가력 시 최대내력 471.31 kN에 도달하여 목표내력에 도달함으로 인해 실험을 종료하였다. 최대 하중발현 시까지 뚜렷한 내력저하 없이 강도증가 추세가 지속되었으며, 강도보강의 효과가 탁월하였다.
- 67%에 이르러 기둥의 상·하부의 전단균열로 확대되었다. 변위비가 1.33%를 넘어가며 전단균열의 폭이 증가하며 피복의 박리가 시작되어 변위비 1.67%에서 양측 기둥 상부에 전단균열이 급격히 확장되었으며 하중이 급격히 감소하기 시작하여 최종파괴 되었다.
- 창호 내부 삽입방식에 비하여 강도, 강성의 측면에서 성능이 다소 낮게 나타났으나, 기준 시험체인 RC 실험체에 비하여 강도, 강성, 균열, 에너지 소산 측면에 있어 우수한 성능을 보여주었다. 이를 통해 본 연구에서 제안한 TS 댐퍼 공법의 내진보강유효성이 검증되었다고 판단된다.
- 375 kN을나타내었으며, 이후 골조에 발생한 전단균열이 진전되어 변위비 2%에 이르러 최종 파괴되었다. 창호 내부 삽입방식에 비하여 강도, 강성의 측면에서 성능이 다소 낮게 나타났으나, 기준 시험체인 RC 실험체에 비하여 강도, 강성, 균열, 에너지 소산 측면에 있어 우수한 성능을 보여주었다. 이를 통해 본 연구에서 제안한 TS 댐퍼 공법의 내진보강유효성이 검증되었다고 판단된다.
- 9와 Table 4에 각 실험체의 성능을 비교하여 나타내었다. 창호 내부 삽입형 V-IN 실험체와 D-IN 실험체는 기준 실험체인 RC 실험체 대비 각각 1.92배, 1.93배의 내력 증가를 보여주었고, 외부 부착형 V-EX 실험체는 1.4배의 내력 증가를 보여주었다. 더불어 무보강 골조 실험체와 TS 댐퍼 보강 골조 실험체의 누적에너지의 양에 2배 가까운 차이가 있음을 알수 있었다.
- 창호 내부 삽입형인 V-IN 실험체는 정가력 시 변위비 2%에 도달 하였을 때 최대하중 466.68 kN을 나타내었으며, 골조에 전단균열이 발생하여 진전되었으나, 최종적으로는 목표내력에 도달하여 실험을 종료하였다. 최대 하중발현 시까지 뚜렷한 내력저하 없이 강도증가 추세가 지속되었는데, 이는 TS댐퍼의 프레임에 의한 것으로 판단되며, 창호 내부에 TS 댐퍼를 삽입하는 시공방식을 통해 제진 뿐 아니라 강도보강의 효과도 함께 기대할 수 있을 것으로 보인다.
- 31 kN에 도달하여 목표내력에 도달함으로 인해 실험을 종료하였다. 최대 하중발현 시까지 뚜렷한 내력저하 없이 강도증가 추세가 지속되었으며, 강도보강의 효과가 탁월하였다.
후속연구
- 68 kN을 나타내었으며, 골조에 전단균열이 발생하여 진전되었으나, 최종적으로는 목표내력에 도달하여 실험을 종료하였다. 최대 하중발현 시까지 뚜렷한 내력저하 없이 강도증가 추세가 지속되었는데, 이는 TS댐퍼의 프레임에 의한 것으로 판단되며, 창호 내부에 TS 댐퍼를 삽입하는 시공방식을 통해 제진 뿐 아니라 강도보강의 효과도 함께 기대할 수 있을 것으로 보인다.
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